数控机床进给系统设计

目 录1机床课程设计的目的12纵向进给系统的设计计算22.1主切削力及其切削分力计算32.2导轨摩擦力的计算 32.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力32.4确定进给传动链的传动比i和传动级数32.5滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算42.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核52.7计算机械传动的刚度62.8驱动电机的选型与计算72.9机械传动系统的动态分析92.10机械传动系统的误差计算与分析102.11确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号103进给系统的结构设计113.1滚珠丝杠螺母副的设计11总结与体会12致谢词12参考文献13摘 要1数控技术课程设计的目的通过本课程设计的训练，使学生在完成数控机床及金属切削机床的结构课程学习之后，让学生能够运用所学的知识，独立完成数控机床传动系统的设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的分析、设计能力，同时巩固金属切削机床课程的部分知识。1.运用所学理论及知识，进行数控机床部分机械结构设计，培养学生综合设计能力； 2.掌握数控机床传动系统的设计方法和步骤；3.掌握设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；4.基本掌握编写技术文件的能力。2纵向进给系统的设计计算设计参数如下：工作台工作台质量最大加工受力快进速度工进速度最大加速度工作台导轨摩擦力工作行程减速机构丝杠螺母机构(图2)，已知数据如下：图2丝杠螺母机构轴承轴向刚度丝杠螺母刚度螺母支座刚度丝杠传动效率丝杠长度丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力矩 轴承平均间距导程最大转速常数支承方式双推双推伺服电机电机转子惯量2.1主切削力及其切削分力计算取机床的机械效率，则有 工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷为2.2导轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力，纵向切削分力，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=600kg，查表得镶条紧固力，取导轨动摩擦系数，则 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力 计算最小轴向负载力2.4确定进给传动链的传动比i和传动级数 取步进电动机的步距角，滚珠丝杠的基本导程，进给传动链的脉冲当量，则有根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为、，模数m=2，齿宽b=20mm。2.5滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算（1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间，滚珠丝杠的当量载荷，查表得载荷系数；初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数；查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速，已知，滚珠丝杠的基本导程，则 （2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床纵向进给系统的定位精度为40 ,重复定位精度为16 ，则有 取上述计算结果的较小值，即。（3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承 （1.21.4）行程+（2530）取L=(1.4700+3010)mm=1280mm （4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的、和结构的需要，初步选择FF型内循环螺母，型号为FF3210-3其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下： 2.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠水平安装时，取，查表得，则有 本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度，重力加速度 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为 取，查表得，则有 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则有 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。2.7计算机械传动的刚度 已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。丝杠支撑方式为两端支撑或者两端固定时，则 当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度 当时，即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端，此时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 已知滚动体直径mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为： 查表得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 故。进给传动系统的综合拉压刚度最小值为故已知扭矩作用点之间的距离，滚珠丝杠的剪切模量，滚珠丝杠的底径，则有 2.8驱动电机的选型与计算（1）计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度，则有（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量已知纵向进给系统执行部件的总质量为m=600kg;丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=1cm则（3）计算电动机轴上的回转体的转动惯量 （4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量 （5）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离L=10mm=0.01m，进给传动系统的传动比i=10.24总效率=0.85，则有 （6）计算折算到电动机上的摩擦负载力矩 已知在不切削状态下的轴向负载力矩，则有 （7）计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 已知滚珠丝杠螺母副的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为 折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。 空载时（快进力矩），为 切削时（工进力矩），为根据以上计算结果和查表初选55BF010型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量；对于开环系统，一般取加速时间。当机床以最快进给速度运动时电动机的最高转速为： （8）计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩 计算空载启动力矩 计算快进力矩 计算工进力矩 （9）选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机，其主要参数如下：相数，5；步距角，；最大静转矩，；转动惯量，；最高空载启动频率，2800Hz；运行频率，8000Hz；分配方式，五相十拍。 确定最大静转矩： 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为： 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为： 取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩。本电动机的最大静转矩为，大于，可以在规定的时间内正常启动，故满足要求。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即 ，故满足惯性匹配要求。2.9机械传动系统的动态分析 滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为、，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为，已知m=600kg，则： 折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知滚珠丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。 2.10机械传动系统的误差计算与分析（1）计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静摩擦力为，则即，故满足要求。 （2）计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 即，故满足要求。 （3）计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 已知负载力矩，扭矩作用点之间的距离，丝杠底径，则有 由该扭转变形引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，有 2.11确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，本进给传动系统采用开环控制系统，应满足如下要求： 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级，查表得，当螺纹长度约为350mm时，；故满足设计要求。3进给系统的结构设计3.1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，组合方式为DDB。以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。图3.1为滚珠丝杠螺母及其支承结构图。图3.1 滚珠丝杠结构总结与体会毕业设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。刚开始选择课题的时候，我因为对数控车床比较感兴趣，所以选择了关于数控车床方面的课题。我所在的组设计的是一台数控车床，我主要对其中的横向进给系统及纵向进给系统进行设计。开始设计之前，我首先上网搜索了有关车床方面的知识，对数控车床的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控车床进行了观察，我主要观察了机床的进给系统结构，同时并结合自己的课题对机床的总体布局做了进一步的研究，并通过查阅资料和相关图册，设计出了满足数控车床需要的横向进给系统及纵向进给系统。毕业设计是我们走向工作岗位的最后一次练兵，是一次理论和实践完美结合的过程。在近三个月的毕业设计当中，使我更加认识到理论联系实际的重要性，只有理论而不去进行实践是不行的。在设计过程中，我参考了一些图纸，在参考的基础上，理解并分析其优缺点，取长补短，对自己其中不合理的部分进行了充分改进。通过这次设计，自己在查阅资料、运用资料、中英文翻译、运用专业知识及CAD绘图等方面的能力有了较大地提高，对如何将机、电互相结合起来有了较深刻的认识，弥补了原来学习中的很多不足之处，为以后从事机械方面的工作打下了一定的基础，积累了一定的经验，对设计工作有了一定的认识。总之，这次设计顺利完成使我受益匪浅，不但巩固了我以前学习的东西，而且学到了很多新东西，为我走向社会打下了深厚的基础。同时也使我懂得了一个真正设计的步骤以及方法。致谢词经过3个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师杨昌明。杨老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是张老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩张老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校西华大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要